数字式远程地表裂缝三维测量仪研制

王洪辉，刘 崎，庹先国，聂东林，李 鄢，孟令宇

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

0 引 言

目前，滑坡监测作为地质灾害风险减缓的重要措施之一，正越来越受到人们的重视[1-3]。根据监测指标来分，滑坡监测包括地质宏观形迹监测、地面位移监测、深部位移监测、诱发因素监测、水压力监测和滑坡地球物理、地球化学场监测等[4]。从监测方法来看，通常有地面宏观形迹的简易观测、地面仪器监测、空间遥测和遥感监测[5-7]。以地面相对位移监测为例，它是测量地表裂缝两侧点与点之间的相对位移变化量的一种监测方法，由最初的人工标记或钢尺简易测量，到现在的自动化遥测[8-9]，在裂缝滑坡监测预警上发挥了重要作用。

滑坡裂缝的发育包含了纵向下挫、横向张裂、侧向滑动3个分量，对于临滑预警或高速滑坡来讲，测量裂缝的综合位移变化是可以的[9]。但如果要对滑坡裂缝的发育情况进行长期监测，特别是蠕动型和慢速滑坡，需要分析其到底朝哪个方向滑移？该方向的滑移量是多少？采用直接测量裂缝两端综合位移的方法则无能为力，必须对测量方法和测量装置进行改进。基于此，本文提出一种数字式远程地表裂缝的三维测量方法，可以有效解决滑坡裂缝三分量测量，为长期监测、定性定量分析提供依据。

1 系统设计

本系统设计主要由两个子系统组成，即完成野外数据测量与传输的测量节点子系统[10]；接收数据并传输到PC机用于灾害分析的室内主机子系统。系统原理框图如图1所示。

测量节点主要由单片机控制单元、数据采集单元、电源管理单元、GSM无线数传单元组成（北斗通信方式亦可[11]），安装于测量现场。室内主机由GSM无线数传单元、CMOS/RS232电平转换单元、PC机组成，安装于监测中心。

测量节点各单元功能：1）单片机控制单元作为测量节点的核心，用于数据测量的控制计算、GSM无线通信以及系统的开、停机的控制；2）数据采集单元将传感器的输出信号经过信号调理电路的滤波、变幅及阻抗匹配；3）电源管理单元用于DC-DC高效率变换及各单元电源的开关控制，测量节点采用太阳能（30 W）+蓄电池（70 Ah）供电[12]；4）GSM 无线数传单元由M72-D集成GSM模块、SIM卡及吸盘天线组成，以GSM网络进行数据传输。

室内主机各单元功能：1）GSM无线数传单元负责对各测量节点传输的数据进行接收，再采用CMOS/RS232电平转换单元将数据上传PC机；2）PC机系统软件实现裂缝数据分析的显示与数据库管理[13]。

2 系统实现

2.1 单片机控制单元

系统单片机选用目前业内最小尺寸汽车级MCUC8051F530，采用4mm×4mmQFN封装和TSSOP-20封装，大大节省了PCB的占用面积，便于仪器的小型化及野外安装。此外，C8051F530的停机模式下，其工作电流仅为0.1 μA，能够满足野外低功耗、长时间稳定工作的要求。

2.2 数据采集单元

采用KTC系列电阻型拉杆式位移传感器直接测量裂缝两侧点对点综合位移，传感器输出的直流电压信号随拉伸距离的改变而变化，但传感器输出的电压范围与C8051F530内部ADC的电压测量范围不匹配，因此需要一级信号调理电路进行滤波及变幅。C8051F530内部集成有24位ADC，可直接对信号调理电路输出的信号进行测量采集。角度传感器采用SCA100T，其测量范围±90°，分辨率达 0.002°，11 位SPI数字输出，该传感器具有长期稳定性好、温漂小、抗干扰能力强等优点。由于C8051F530只有一个SPI接口，因此需采用多路选通电路（结构图和电路图如图2与图3所示）分别对两个角度传感器进行通信，完成数据采集。

图1 系统原理框图

图2 数据采集单元结构图

图3 多路选通电路图

2.3 GSM无线数传单元

测量节点以单片机C8051F530为核心，通过UART与GSM/GPRS无线数传单元M72-D进行数据传输，再通过SIM卡与GSM建立连接，按GSM/GPRS方式发送数据到室内主机。C8051F530与M72-D的电路连接示意图如图4所示。

图4 M72-D与C8051F350连接电路

M72-D是一款自主研发的支持GSM900/DCS1800双频段的无线通信模块，支持标准的AT指令，直接通过UART与主控单片机进行数据通信。

3 三维测量方法

本系统提出的三维测量方法及其装置由一个电阻型拉杆式位移传感器、角度传感器1、角度传感器2、固定桩A及测量桩A0组成，如图5所示。

测量装置状态如固定桩A-测量桩A0所示，电阻型拉杆式位移传感器的拉伸长度是L0，测量桩A0与固定桩A的水平夹角即下挫角度为α0，侧移角度为β0，单片机上电初始化后由式（1）～式（3）计算出当前X轴、Y轴、Z轴的初始值分别为

经过系统测量周期t时刻后，测量桩的位置发生了移动，装置变成固定桩A-测量桩A0′的状态，此时电阻型拉杆式位移传感器的拉伸长度为Lt，测量桩A0′与固定桩A的水平夹角即下挫角度变为αt，侧移角度为βt，计算当前X、Y、Z轴的当前值：

进一步，可得到滑坡造成的三维测量的变化值为

图5 系统三维测量方法示意图

以上所述得到的 ΔXt、ΔYt、ΔZt即是一次测量周期测得的地表裂缝三维测量变化值。

4 监测数据及分析

本系统（数字式远程地表裂缝三维测量仪）的技术参数及技术指标如表1所示。

表1 仪器技术指标

测量节点如图6所示，室内主机如图7所示。系统三维位移测量实验如下：

1）将拉杆式位移传感器的初始长度L0固定为10cm，将图5所示的下挫角度α和侧移角度β分别固定为20°和50°，分别以步进3cm和3°递增改变拉杆式位移传感器的长度L和下挫角度α，测量10组数据（X1、Y1、Z1分别代表X、Y、Z轴分量），图 8（a）所示。

图6 测量节点实物图

图7 室内主机实物图

图8 三维位移测量实验数据图

图9 滑坡裂缝位移监测数据（2016年7月）

2）再将拉杆式位移传感器的初始长度L0固定为10cm，下挫角度α和侧移角度β分别固定为20°和30°，分别以步进3cm和3°递增改变拉杆式位移传感器的长度L和侧移角度β，测量10组数据（X2、Y2、Z2分别代表X、Y、Z轴分量），图 8（b）所示。

本系统已应用于四川省绵阳市安县某滑坡监测现场，图9为2016年7月一次连续降雨导致滑坡的监测点三维位移测量数据，其中，1#曲线反映的是传统仪器监测数据（综合位移）。

从图9可知：

1）该滑坡于2016年7月10开始明显滑移，7月16日趋于稳定，持续时间6d，综合位移曲线显示累积位移量35.3mm，平均滑移速率5.88mm/d；最大当日累积位移9.7mm。

2）传统仪器只能监测裂缝的综合位移（1#曲线），而本测量仪还能监测X、Y、Z3 向位移（2#、4#、3# 曲线），3 向累积位移量分别为 6.93，11.49，6.68mm。

3）通过X向位移、Y向位移和Z向位移可以看出，滑体主要沿垂直裂缝方向（Y向）滑动，并伴随向下（Z向）移动，而水平（X向）移动不明显。

上述表明本文提出的三维测量方法能有效地反映出滑坡滑移的走向。

5 结束语

本文提出了一种数字式远程地表裂缝的三维测量方法，并设计了测量装置以及对应的电子电路，弥补了传统的野外地表裂缝监测基于直接测量裂缝两边综合位移而导致不能准确得出滑坡走向及其分量的缺点，一定程度上提高了监测预警仪器的分析能力。实际应用数据表明，三分量位移值对于准确定位滑坡裂缝走向是有效的，为长期监测、定性定量分析裂缝提供了依据。

[1]唐亚明，张茂省，薛强，等.滑坡监测预警国内外研究现状及评述[J].地质论评，2012（3）：533-541.

[2]何满潮，韩雪，张斌，等.滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用 [J].黑龙江科技大学学报，2012，22（4）：337-342.

[3]LIU Y，LIU D，QIN Z，et al.Rainfall data feature extraction and its verification in displacement prediction ofBaishuihe landslide in China[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2016，75（3）：897-907.

[4]张菖，陈志文，韦猛，等.基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法及应用[J].成都理工大学学报（自然科学版），2017（3）：377-384.

[5]BHATTACHARYA A，MUKHERJEE K.Review on In-SAR based displacement monitoring of Indian Himalayas:issues,challenges and possible advanced alternatives[J].Geocarto International，2017，32（3）：298-321.

[6]WANG C，MAO X，WANG Q.Landslide displacement monitoring by a fully polarimetric SAR offset tracking method[J].Remote Sensing，2016，8（8）：624.

[7]FEMANDEZ P，WHITWORTH M.A new technique for the detection of large scale landslides in glacio-lacustrine deposits using image correlation based upon aerial imagery:A case study from the French Alps[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2016（52）：1-11.

[8]陈熠琦.基于无线传感器网络的滑坡预警系统设计[D].长沙：湖南大学，2016.

[9]WANG H，TUO X G，ZHANG G，et al.Panzhihua airport landslide（Oct.3rd 2009） and an emergency monitoring and warning system based on theinternet of things[J].Journal of Mountain Science，2013，10（5）：873-884.

[10]雷斌，张鑫.基于WSN野外监测系统应用层通信协议的研究[J].国外电子测量技术，2015，34（2）：43-46.

[11]廖斌，王洪辉，庹先国，等.基于北斗通信的滑坡监测系统设计[J].自动化与仪表，2014，29（5）：22-25.

[12]廖斌，庹先国，王洪辉，等.基于HTTP协议的地质灾害数据传输系统设计[J].自动化与仪表，2014，29（11）：28-31.

[13]张兆义，庹先国，王洪辉，等.地质灾害监测设备太阳能高效供电技术研究[J].自动化与仪表，2011，26（9）：43-46.